Active Wetlands –hankkeen kokeita ja tuloksia

MTT/Kasvintuotannon tutkimusRisto Uusitalo, Aaro Närvänen,

Tapio Salo ja Kimmo Rasa

Hankkeen tavoitteet• Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä

fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien kasvua vesistöissä.

Hankkeen tavoitteet• Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä

fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien kasvua vesistöissä.

– Valumavesissä fosfori on liuenneessa muodossa, tai partikkeleihin kiinnittyneenä

– Liuennut fosfori on se muoto, mitä levät ja vesikasvit voivat hyödyntää 100 %:sesti

– Partikkeleihin kiinnittyneestä fosforista vain osa on biologisesti käyttökelpoista

Hankkeen tavoitteet• Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä

fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien kasvua vesistöissä.

– Vedessä oleva fosfori on liuenneessa muodossa, tai partikkeleihin kiinnittyneenä

– Liuennut fosfori on se muoto, mitä levät ja vesikasvit voivat hyödyntää 100 %:sesti

– Partikkeleihin kiinnittyneestä fosforista vain osa on biologisesti käyttökelpoista

Liukoista fosforia ja paljon levää Fosfori kiinni partikkeleissa, vähän levää

Levää

Fosforia

Partikkeleita, joihin fosfori on kiinnittyneenä

Järvi 226, Ontario, Kanada, 1971(D. Schindler, Science 184:897-184.)

Lisätty liukoista hiiltä ja typpeä- tulos: ei leväkasvua

Lisätty liukoista hiiltä, typpeäja lisäksi fosforia- tulos: vihreä puuro

Hankkeen tavoitteet• Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä

fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien kasvua vesistöissä.

• Viedä aktiivimenetelmiä käytännön mittakaavaan; kolmen vuoden aikana teimme kenttäkokeita yhteensä 20 kohteessa.

""

"

"

Turku

Lahti

Helsinki

Hämeenlinna

Ho

So 1-3

Nu 1-10Pu 1-5

Vi

La

Ha

Kr

St 1-2

Na

Su

Oj TaAr

Mu RiSuPa

26° E25° E24° E23° E22° E21° E61

° N60

° N

0 50 Km

Sampled wetlands/ditchesPilot sitesNäytteenottopaikatKoepaikat

Nuutajärvi

Hankkeen tavoitteet• Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä

fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien kasvua vesistöissä.

• Viedä aktiivimenetelmiä käytännön mittakaavaan; kolmen vuoden aikana teimme kenttäkokeita yhteensä 20 kohteessa.

– Laboratoriokokeissa ja pienemmän mittakaavan kokeissa on 1960-luvulta lähtien testattu suuri määrä erilaisia aineita, jotka sitovat liuennutta fosforia

– Kenttämittakaavan kokeita maatalouden valumavesien käsittelemiseksi ei ole kuitenkaan tehty – tai ainakaan raportoitu – kuin kourallinen

Hankkeen tavoitteet• Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä

fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien kasvua vesistöissä.

• Viedä aktiivimenetelmiä käytännön mittakaavaan, kolmen vuoden aikana teimme kenttäkokeita yhteensä 20 kohteessa.

• Kaksi eri tyyppistä menetelmää. 1) Veteen liukenevan metallisuolan lisäys, jolla leville käyttökelpoinen fosfori sidotaan käyttökelvottomaan muotoon; 2) kiinteät fosforia pidättävät aineet, joiden avulla fosforia saadaan kerättyä pois vesiekosysteemistä.

Hankkeen tavoitteet• Kehittää menetelmiä, joilla valumavesistä saadaan poistettua rehevöittävä

fosforijae (veteen liuennut fosfaatti) ja siten vähentää levien ja vesikasvien kasvua vesistöissä.

• Viedä aktiivimenetelmiä käytännön mittakaavaan, kolmen vuoden aikana teimme kenttäkokeita yhteensä 20 kohteessa.

• Kaksi eri tyyppistä menetelmää. 1) Veteen liukenevan metallisuolan lisäys, jolla leville käyttökelpoinen fosfori sidotaan käyttökelvottomaan muotoon; 2) kiinteät fosforia pidättävät aineet, joiden avulla fosforia saadaan kerättyä pois vesiekosysteemistä.

- Metallisuolat yleisesti käytössä jäteveden puhdistuksessa ja juomaveden tuotanossa; tiedetään toimivan niissä oloissa, mutta voiko soveltaa peltovalumien puhdistukseen?

- Kiinteät fosforinpidättäjät voisivat olla parempi ratkaisu sen vuoksi, että esimerkiksi annostelua ei tarvitsisi säätää ja seurata, minkä lisäksi niiden avulla fosforia voitaisiin saada kierrätettyä takaisin pelloille.

Liukoisen metallisuolan lisäys valumaveteen

- Kemikaalina rautasulfaatti (Ferix-3, Kemira Kemwater Oy)- Kemikaalin annostelulaitteena käytettiin Närvänen-tyypin

Ferix-annostelijaa, joka toimii ilman ulkopuolista energiaa- Tuloksia 18 koepaikalta, suosituksia paikkojen valinnan

suhteen- Ongelmia, kuten kunnon tutkimuksessa tuleekin olla

Helposti veteen liukeneva rautasuola:Fe2(SO4)3 + 4H2O -> 2FeOOH + 6H+ + 3SO4

2-

- fosfori reagoi raudan kanssa sitoutuen siihen- tuottaa runsaasti happamuutta (veden pH laskee)- sulfaatti ei ole käytännössä mikään ongelma (jos se nyt jollakin kävi mielessä)

Ferix-3

Ferix-3

Veden virtaus

V-aukkopato, jolla vedenpintaa saadaan nostettua virtaaman kasvaessa.

Kemikaalisäiliö

Verkkokartio, josta kemikaali liukenee veteen.

Närvänen-tyypin rautasulfaattiannostelija

- Rautasulfaatin avulla saatiin eri koepaikoilla keskimäärin 62 % (29-95 %), liuenneesta fosforista sidottua rauta-fosfori –yhdisteiksi.

- Kustannukset sidottua fosforikiloa kohden olivat kovin erilaisia eri koepaikoilla. Paras hyöty käytetystä kemikaalikilosta saatiin paikassa, jossa ojaan pääsi lantalan valumavesiä. Tässä kohteessa poistetun fosforikilon hinnaksi tuli alle 20 euroa.

- Laimeita peltovesiä käsiteltäessä sidotun fosforikilon hinta nousi jopa 20-kertaiseksi (460 euroon) edelliseen verrattuna.

Rautasulfaattisaostusta ei kannata tehdä alhaisissa liuenneen P:n pitoisuuksissa, vaan kemikalointi olisi vietävä mahdollisimman lähelle kuormituksen alkulähdettä.

Mitä korkeampi on veden fosforipitoisuus, sitä vähemmänkemikaalia tarvitaan poistamaan tietty määrä ravinnetta vedestä

0.01 0.1 1 10 1001

10

100

1000

10000

Liuenneen fosforin pitoisuus, mg/l

Rau

dan

tarv

e fo

sfor

ikilo

nsi

tom

isee

n, k

g/kg

Ongelmia rautasulfaatin annostelussa

Suurella virtaamalla annostelija on tyhjentynyt nopeasti.

Vedenkorkeuden nopea vaihtelu on kastellut putkessa olevan kemikaalin. Vedenpinnan laskettua kemikaali on paakkuuntunut ja tukkinut annostelusukan.

Oja on jäätynyt osin umpeen, minkä seurauksena kemikaalia on liuennut veteen yliannos (hyvin matala pH).

Kiinteät fosforinpidättäjät• Jokioisissa ja Tartossa

kokeiltiin Sachtofer PR –rakeita, jotka sisältävät sekä Ca:a että Fe:a.

• Tartossa kokeiltiin lisäksi palavakiven tuhkaa (sisältää paljon liukoista Ca:a ja nostaa pH:ta).

Kuva: Morten Poolakese

Fosforinpidätyksen edellytykset• Liuennutta fosforia voi pidättyä vedestä hiukkaspinnoille, tai

tietyissä oloissa saostumalla kiinteäksi aineeksi.

• Hiukkaspinnoille fosforia pidättyy suurempia määriä, jos pinnoilla metallioksideja (rauta- ja alumiinioksidisakkoja).

• Fosforin saostumista voi tapahtua kalsium- tai magnesiumyhdisteinä (esim. Ca5(PO4)3OH, NH4MgPO4·6H2O), mutta niiden muodostuminen vaatii liukoisen Ca:n tai Mg:n läsnäoloa ja korkeata pH-arvoa (paljon OH- -ioneja).

• Fosforia pidättäviä ominaisuuksia löytyy joistakin teollisuuden ja kaivostoiminnan sivutuotteista, ja eräistä luonnonmateriaaleista. Jos ne eivät sisällä paljoa haitta-aineita, niitä voi mahdollisesti käyttää fosforinpidättäjäaineina.

Ojainen, kiinteä fosforinpidättäjä (Sachtofer PR)Sachtofer PRrakeet

Allas

Altaan pinnan säätö

Ojainen, kiinteä fosforinpidättäjä (Sachtofer PR)Sachtofer PRrakeet

Allas

Altaan pinnan säätö

Vesi on saatava jakautumaan tasaisesti pidättäjämassaan (aineella on oltava hyvä vedenläpäisykyky), minkä lisäksi kontaktin on oltava riittävän pitkä jotta fosfori ehtii pidättyä kiinteän aineen pinnoille.

Toimiiko käytännön mittakaavassa?

• Laboratiossa esimerkiksi Sachtofer PR:n (Ca-Fe -oksidirae) pidättää suuren määrän liuennutta fosforia, pidätyskyky kertaluokkaa suurempi kuin esimerkiksi peltomaalla.

• Pidätysteho oli kenttäkokeissa korkea ensimmäisen syksyn ja kevään aikana, mutta alkoi nopeasti hiipumaan toisena koevuotena.

23.9

.201

025

.10.

2010

1.11

.201

04.

11.2

010

5.11

.201

010

.11.

2010

11.1

1.20

1015

.11.

2010

18.1

1.20

105.

4.20

116.

4.20

118.

4.20

1111

.4.2

011

12.4

.201

113

.4.2

011

14.4

.201

115

.4.2

011

18.4

.201

119

.4.2

011

20.4

.201

121

.4.2

011

26.4

.201

127

.4.2

011

28.4

.201

129

.4.2

011

2.5.

2011

20.6

.201

121

.6.2

011

7.7.

2011

15.7

.201

122

.7.2

011

25.7

.201

18.

8.20

1114

.9.2

011

15.9

.201

120

.9.2

011

22.9

.201

110

.10.

2011

11.1

0.20

1119

.10.

2011

26.1

0.20

112.

11.2

011

9.11

.201

128

.11.

2011

29.1

1.20

1113

.12.

2011

19.3

.201

230

.3.2

012

2.4.

2012

3.4.

2012

11.4

.201

216

.4.2

012

18.4

.201

224

.4.2

012

2.5.

2012

7.5.

2012

9.5.

2012

4.6.

2012

5.6.

2012

30.7

.201

220

.9.2

012

24.9

.201

226

.9.2

012

1.10

.201

28.

10.2

012

22.1

0.20

1224

.10.

2012

31.1

0.20

127.

11.2

012

14.1

1.20

1226

.11.

2012

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

SisäänUlos

2010Sisään: 70 gUlos: 33 g

(-53%)

2011Sisään: 857 gUlos: 557 g

(-35%)

2012Sisään: 675 gUlos: 568 g

(-16%)

SUMMA 2010-2012Sisään: 1605 gUlos: 1158 g

(-28%)

Liue

nneu

t fos

fori

, kum

ulat

iivin

en, g

Käytännössä pidättynyt fosforimäärä jäi naurettavan vähäiseksi aineen kapasiteettiin nähden.

Kiinteiden fosforinpidättäjien kanssa suurin ongelma lienee se, että virtaus etsii aina vähäisimmän vastuksen reitin ja käyttää vain sitä.Aineen rakenteen muutokset ajan mittaan (rakeiden mureneminen), tai kiintoaineen jääminen tukkimaan huokosia voivat rajoittaa veden kulkua ja edistää oikovirtausten muodostumista.

Kontakti veden ja pidättäjäaineen välillä voi katketa myös levien ja bakteerien kasvun seurauksena. Biofilmiin peittynyt pinta ei enää ole suorassa kontaktissa veden kanssa.

Yhteenveto• Hankkeessa testatuista menetelmistä rautasulfaatin

annostelu oli toimiva ratkaisu.• Annostelijoita voidaan käyttää kohteissa, joissa

veden liuenneen fosforin pitoisuus on korkea. Jokaisen ojan suulle niitä ei kannata rakentaa, osin kustannusten vuoksi ja osin riskien välttämiseksi.

• Kiinteät fosforin pidättäjät ovat (edelleenkin) tulevaisuuden lupaus.

• Kiinteiden pidättäjien kehittelyä on syytä jatkaa, jos fosforia halutaan kerätä takaisin kierrätettäväksi. Lisäksi ne ovat liukoisia kemikaaleja turvallisempi vaihtoehto, koska yliannostuksen riski on vähäinen.

Lämpimät kiitokset hankkeeseen osallistuneille viljelijöille, koealueiden suojeluyhdistysten aktiiveille ja Pirkanmaan ympäristökeskukselle arvokkaasta panoksestanne tähän tutkimukseen.